噴施濃縮沼液對棉花幼苗生長發(fā)育和生理特性的影響

徐瑞強，董合林，徐文修*，卡地力亞·阿不都克力木，阿地娜·白山哈力，董泰麗，付傳翠，吾仁圖雅·皮力加，唐江華

（1.新疆農業(yè)大學農學院，烏魯木齊830052；2.中國農業(yè)科學院棉花研究所/棉花生物學國家重點實驗室，河南安陽455000；3.山東民和生物科技有限公司，山東蓬萊265600）

施肥是實現(xiàn)作物增產的主要手段之一。但農業(yè)生產中化肥大量施用和化肥利用率低下使所施化肥以各種形式流失到環(huán)境中,導致了嚴重的農業(yè)化肥面源污染問題[1-6]。農業(yè)生產過多的依賴化肥與可持續(xù)農業(yè)生產理念相悖，單一的傳統(tǒng)有機農業(yè)又無法滿足當代人類對農產品日益增長的需求。因此，提高肥料的利用率，減輕肥料對環(huán)境的危害，已成為亟需解決的問題。自2015年國家提出《到2020年化肥使用量零增長行動方案》（農農發(fā) 〔2015〕2號）、《土壤污染防治行動計劃》（國發(fā)〔2016〕31號）的政策以來，如何解決農業(yè)生產中的化肥依賴這一問題逐漸變成研究熱點。沼液是禽畜糞便發(fā)酵產生沼氣后的殘留液。諸多學者大量研究表明，沼液部分替代化肥不僅可以有效促進作物生長發(fā)育，還能提高作物產量[7-8]、改善品質[9]；沼液與無機肥料配施能提高無機肥料的利用率[10-12]，長期施用沼液能夠增加土壤的有效養(yǎng)分[13-15]，減少作物對化肥的依賴。然而沼液營養(yǎng)成分含量低，運輸成本高，直接作為液體肥料使用的經濟價值較低；沼液也含有部分污染成分，直接排放會導致土壤和水體污染[16-18]。濃縮沼液是將沼液通過多級膜處理技術濃縮后生成的一種高效肥料資源。濃縮沼液不但兼具沼液的種種優(yōu)勢，同時相體積更小、運輸成本更低，礦質元素和有機活性物質含量更高，能有效避免沼液施用過程中的種種弊端[19-20]。研究表明，施用濃縮沼液能夠促進作物生長發(fā)育[21]，改善作物品質，提高作物光和能力[22]，對大田作物尤其是經濟作物有明顯的增產作用[23-25]；同時適量的濃縮沼液可提高植株體內的氧化酶活性及代謝活動[26]，還能明顯抑制葉綠素的降解[27]，從而在一定程度上起到改善作物生長微環(huán)境、增強作物抗逆性、延緩葉片衰老的功效[28-31]。濃縮沼液兼顧了生態(tài)環(huán)境和社會經濟的協(xié)調發(fā)展，將是今后農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一個重要方向。然而目前國內關于濃縮沼液的研究較少，且多數(shù)集中在濃縮沼液對園藝類、茄果類作物生長發(fā)育和產量變化的影響研究[19-21]；而關于濃縮沼液作用機理的研究更少，主要以大田作物玉米、水稻[24-26]為主，在棉花上鮮見報道。本研究以新型濃縮沼液為原料，通過葉面噴施的方法，研究不同噴施濃縮沼液對棉花幼苗生長發(fā)育和生理特性的影響，為濃縮沼液的科學施用提供理論指導。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

以棉花新陸早57號[32]為供試材料，于2017年在新疆農業(yè)大學作物栽培實驗室內進行。試驗盆缽為塑料圓桶，上桶口內直徑和桶底直徑分別為30 cm和23 cm，桶高32 cm，總容積4 857 cm3，桶底部有開孔。供試基質為草炭和蛭石1∶1（體積比）混合，于烘箱中120℃高溫滅菌24 h后，等量分裝入圓桶。供試的濃縮沼液為中國農業(yè)科學院棉花研究所與山東民和生物科技有限公司共同研制生產的棉花專用 “新壯態(tài)”濃縮沼液水溶肥，主要成分為有機質（占2.51%）、腐植酸（10.2 g·L－1）、全氮（2.76 g·L－1）、硝態(tài)氮（1.7 g·L－1），并含有氨基酸及多種微量元素。

1.2 試驗設計

試驗以濃縮沼液的不同噴施用量為單因素，設置隨機區(qū)組試驗，采用室內盆栽試驗的方法，以濃縮沼液原液163～815 mL·hm－2，以等差梯度設置 6 個處理，分別為：CK（清水）、A（163 mL·hm－2）、B （326 mL·hm－2）、C （489 mL·hm－2）、D（668 mL·hm－2）和 E（815 mL·hm－2），所有處理濃縮沼液原液均加水稀釋300倍后，于棉花第4片真葉完全展開時一次性噴施。每個處理3個重復，每批次試驗18個盆缽，試驗分兩批次進行，共計36個盆缽。具體實驗步驟如下：挑選大小、飽滿度一致的種子，用濃度為0.1%的HgCl2溶液浸泡消毒30 min后，蒸餾水沖洗4次；再用蒸餾水浸泡誘導發(fā)芽24 h，選擇預處理后露白一致的種子等株距（5 cm）種植，每個盆缽播種20粒棉籽，播深4 cm，再覆一層塑料薄膜保濕，置于通風透光良好的室內，白天溫度（24～30±2）℃，夜間溫度（22±2）℃。棉花生長過程中正常澆水，無底肥和追肥，播種后的第7天揭膜，第10天剔去弱苗，每盆留長勢均勻的棉花幼苗12株。

1.3 測定項目與方法

1.3.1株高和葉面積的測定。于噴施濃縮沼液前1天和噴施后的第2天、第4天、第6天，各處理選取長勢均勻一致的棉花幼苗4株，測定棉花子葉節(jié)到主莖生長點的長度，即為棉花的株高。同期取各處理棉花幼苗4株，測定棉花的第一片真葉的葉面積，參考田立文等[33]的方法，采用長寬系數(shù)法，系數(shù)取0.78。

1.3.2干物質積累與分配的測定。于噴施濃縮沼液前1天和噴施后的第2天、第4天、第6天，各處理選取長勢均勻一致的棉花幼苗4株，沖洗干凈后分成根、莖、葉三部分，分別置于105℃的烘箱中殺青20 min，在80℃下烘干至恒重，稱其干物質質量，并計算根冠比和單株干物質質量。

1.3.3光合色素含量的測定。于噴施濃縮沼液前1天和噴施后的第2天、第4天、第6天，各處理選取長勢一致的棉花4株，取第1片真葉將其沖洗干凈后吸干表面水分并剪成0.5 cm2的小碎葉，稱取0.1 g置于15 mL的試管中，加入10 mL 95%丙酮-乙醇提取液 （體積比1∶1），蓋好膠塞，暗處放置48 h后于663 nm、645 nm波長下比色，計算葉綠素 a（Chl a）、葉綠素 b（Chl b）、葉綠素a＋葉綠素b（Chl a＋Chl b）含量和葉綠素a/葉綠素 b（Chl a/Chl b）。

1.3.4可溶性糖含量的測定。于噴施濃縮沼液前1天和噴施后的第2天、第4天、第6天，各處理選取長勢均勻一致的棉花4株，取其第一片真葉采用蒽酮法測定棉花可溶性糖的含量。

1.3.5可溶性蛋白含量的測定。于噴施濃縮沼液前1天和噴施后的第2天、第4天、第6天，各處理選取長勢均勻一致的棉花4株，取其第一片真葉采用考馬斯亮藍法測定棉花可溶性蛋白的含量。

1.4 數(shù)據處理

采用Microsoft Excel 2010和OriginLab O-riginPro 8.5軟件處理數(shù)據和繪表繪圖，采用SPSS 17.0等軟件進行數(shù)據統(tǒng)計分析，采用最小顯著極差法 (LSD)進行差異顯著性檢驗 （P＜0.05）。

2 結果分析

2.1 葉面噴施濃縮沼液對棉花株高的影響

由圖1可知，兩批次噴濃縮沼液后，除E處理外其它處理的株高均高于對照，說明噴施濃縮沼液能增加棉花的株高，并且隨著濃縮沼液用量的增加，各處理對棉花株高的促進作用更加明顯，表現(xiàn)為兩批次試驗D處理測定的3次株高均獲得最大值，兩批次噴施第6天后D處理株高分別比對照高出20.9%和21.4%；但用量最多的E處理株高反而最低，兩批次噴施第6天后E處理株高分別均比對照矮2.9%和3.1%。由此得出，過量施用濃縮沼液會對棉花的生長產生抑制效果。進一步分析各處理株高的增長速率可知，噴施了濃縮沼液的處理株高增長速率基本呈先上升后下降的趨勢，噴施后第2天到第4天的株高增長速率最大，噴施后第6天開始株高增長速率減小，表明噴施濃縮沼液對棉花株高有促進作用。

圖1 兩批次噴濃縮沼液后棉花幼苗株高的變化Fig.1 Change of seedling height of cotton seedlings after two batches of concentrated biogas slurry

2.2 葉面噴施濃縮沼液對棉花幼苗干物質的影響

由表1可知，從單株干物質質量來看，兩批次噴施濃縮沼液6天后，除E外，各處理的單株干物質質量均顯著高于對照，最高的C兩批次單株干物質質量比對照分別高出41.61%和30.29%，說明噴施濃縮沼液能有效提高棉花的單株干物質含量。從各器官干物質來看，兩批次噴施了濃縮沼液后各處理的莖干物質質量和葉干物質質量均比對照有所提高，且兩批次C、D處理均達到顯著水平，根干物質質量雖然也有所增加，但和對照無顯著差異。兩批次試驗的莖干物質質量、根干物質質量、葉干物質質量均以C為最高，分別比對照增加了38.1%，24.0%，53.1%和20.2%，3.9%，47.7%，從C各器官干物質質量的增幅來看，葉干物質質量的增幅最大，根干物質質量的增幅最小，進一步分析其他處理可知，兩批次除E外其他處理各器官干物質增幅也呈現(xiàn)葉＞莖＞根的規(guī)律，表明濃縮沼液對棉花葉的促進作用最大，對根的促進作用最小。隨著濃縮沼液用量的增加，各器官干物質和單株干物質均呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢，噴施量最多的E各器官干物質和單株干物質均最低，表明過量噴施濃縮沼液會抑制棉花干物質形成，正好與株高的變化規(guī)律相吻合。

表1 兩批次噴施濃縮沼液后第6天各處理棉花單株幼苗不同器官干物質的變化Table 1 Changes of dry matter of cotton seedlings were treated in the sixth day after two batches of concentrated biogas slurry

2.3 葉面噴施濃縮沼液對棉花幼苗干物質分配的影響

由表2可知，噴施濃縮沼液對棉花幼苗的干物質分配比例有一定影響，具體表現(xiàn)在兩批次噴施濃縮沼液的處理葉片的干物質分配比例比對照有所提高，除E外其余處理均顯著高于對照，C的葉片干物質分配比例最高，兩批次試驗分別比對照高出2.89和5.97百分點，這表明適量噴施濃縮沼液能夠促使棉花干物質向葉片部分轉移，這種分配模式有利于棉花葉片的發(fā)育，提高了棉花的光和能力。除E處理外，各處理莖和根的干物質分配比例無極顯著差異。從根冠比來看，E根冠比最高，兩批次相比對照分別高出3.37和4.63百分點，而其余噴施濃縮沼液處理的根冠比與對照無顯著差異，說明過量噴施濃縮沼液會抑制棉花地上部分的生長和發(fā)育，不利于棉花形成壯苗。

表2 兩批次噴施濃縮沼液后第6天各處理棉花幼苗干物質分配及根冠比的變化Table 2 Distribution of dry matter of cotton seedling and the change of root ratio in the 6 d after two batches of concentrated biogas slurry

2.4 葉面噴施濃縮沼液對棉花幼苗葉面積的影響

由圖2可知，濃縮沼液對棉花葉面積的影響較為顯著，兩批次噴施濃縮沼液后，除E外，其余處理葉面積均高于對照，表明噴施濃縮沼液能夠增大棉花葉面積，并且在一定用量范圍內，隨著液態(tài)肥用量的增加，棉花幼苗的葉面積也逐漸增大；C獲得最大葉面積，噴施濃縮沼液后第6天兩批次C處理葉面積分別比對照增加了31.49%和31.21%%。噴施用量最多的E處理反而表現(xiàn)最差，兩批次噴施后第6天葉面積比最高的C處理低了21.39%和21.79%，僅比對照高出了3.36%和2.62%，表明過量噴施濃縮沼液會抑制棉花葉片的生長。

圖2 兩批次噴施濃縮沼液后棉花葉面積的變化Fig.2 Change of cotton leaf area after two batches of Concentrated biogas slurry

2.5 葉面噴施濃縮沼液對棉花幼苗光合色素的影響

光合色素含量的變化是作物光合能力大小的直觀體現(xiàn)。由表3可知，各處理間Chl a（葉綠素a）含量基本相同，無顯著差異；而Chl b（葉綠素 b）和 Chl a＋Chl b（葉綠素 a＋葉綠素 b）含量存在差異，隨著濃縮沼液噴施量的增加各處理Chl b含量和Chl a＋Chl b含量均呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢；C最高，噴施濃縮沼液后第6天兩批次C處理Chl b含量分別比對照高26.32%和15.53%，Chl a＋Chl b含量的平均分別比對照平均高出11.36%，7.78%；而D、E處理噴施量更大，Chlb和Chla＋Chlb含量卻反而低于C處理，噴施用量最大的E處理兩批次噴施6天后Chlb含量平均分別比C處理低 38.89%，24.37%，Chl a＋Chl b含量平均分別比C處理低12.24%，8.25%。這表明噴施濃縮沼液可以增加棉花Chl b的含量，從而增加棉花光和色素含量，提高棉花的光合能力，適宜用量的濃縮沼液對棉花光合色素合成有促進作用，但過量的濃縮沼液會抑制光合色素的合成。各處理的Chl a/Chl b含量無顯著差異。

表3 兩批次噴施濃縮沼液后第6天棉花（鮮物質質量）光合色素的變化Table 3 Changes of photosynthetic pigments of the 6d cotton after two batches of concentrated biogas(fresh weight)

2.6 葉面噴施濃縮沼液對棉花幼苗可溶性糖含量的影響

可溶性糖含量的變化可以反映作物抗脅迫的能力。由圖3可知，兩批次噴施濃縮沼液后，除E外，各處理的可溶性糖含量相比對照均所有提高，表明噴施濃縮沼液能夠提高棉花可溶性糖含量。隨著濃縮沼液用量的增加，棉花幼苗的可溶性糖含量隨之增大，至噴施489 mL·hm－2濃縮沼液的（C）時達到最大，然后開始下降，兩批次C可溶性糖含量最高時分別高出對照22.24%和25.82%；噴施用量最高的E處理表現(xiàn)反而較差，兩批次E處理可溶性糖含量平均最高值僅比對照高出6.53%。這表明適宜用量的濃縮沼液能夠提高棉花的可溶性糖含量，增加棉花的抗逆性，改善棉花生長環(huán)境，若濃縮沼液過量則其促進棉花合成可溶性糖的能力就會降低。噴施濃縮沼液除E外，各處理均表現(xiàn)為0～4天內可溶性糖含量快速升高，至噴施后第4天達到最大；噴施后4～6天可溶性糖含量有所下降，表明作物可溶性糖對濃縮沼液反應靈敏，噴施濃縮沼液短期內就能引起作物可溶性糖含量的迅速升高，因而可將噴施濃縮沼液作為一種解除作物逆境的手段。

2.7 葉面噴施濃縮沼液對棉花幼苗可溶性蛋白含量的影響

圖3 兩批次噴施濃縮沼液后棉花可溶性糖含量的變化Fig.3 Changes in the content of soluble sugar in cotton after two batches of concentrated biogas

可溶性蛋白與作物抗逆性和吸收養(yǎng)分的能力休戚相關。由圖4可知，兩批次噴施濃縮沼液后除E外，各處理可溶性蛋白含量相比對照均所有提高，噴施后第2天、第4天、第6天的可溶性蛋白含量均以C為最高，兩批次最高平均值比對照平均高出3.16%；噴施量最大的E處理可溶性蛋白含量反而較低，兩批平均最高值僅比對照高0.08%，表明適宜噴施量的濃縮沼液能夠促進棉花體內可溶性蛋白的合成，噴施量過大促進作用就會減弱。噴施濃縮沼液后，隨著時間的推移，可溶性蛋白含量呈現(xiàn)出與可溶性糖含量相似的變化規(guī)律，除E處理外，各處理均表現(xiàn)為0～4 d內可溶性蛋白含量快速升高，至噴施后第4天達到最大；噴施后4～6天可溶性蛋白含量有所下降，這表明濃縮沼液同樣能夠快速提高棉花體內可溶性蛋白的含量，改善棉花生長環(huán)境，提高棉花吸收養(yǎng)分的能力。

3 討論

3.1 濃縮沼液對棉花生長發(fā)育的影響

圖4 兩批次噴施濃縮沼液后棉花可溶性蛋白含量的變化Fig.4 Changes in the content of soluble protein in cotton after two batches of concentrated biogas

植物生長量是植物生長發(fā)育的綜合體現(xiàn)。徐海東等[34]通過設置濃縮沼液不同的施肥方案，證明施用濃縮沼液能夠提高棉花的生物量積累，改善棉花的養(yǎng)分吸收狀況，汪群英[35]也有相似結論。前人的研究表明[36-38]，施用濃縮沼液能夠促進作物的生長，無論是營養(yǎng)缽育苗還是大田中施用，均對作物生長發(fā)育有良好的促進作用，這些研究的結論與本試驗結果基本一致。本文通過研究不同濃縮沼液的施用量表明，適宜用量的濃縮沼液能夠提高棉花幼苗的株高、單株干物質積累量、葉面積；但過量噴施濃縮沼液時，棉花幼苗的生長反而會受到抑制，與張鳳華等[39]的研究結果相似，這可能是由于過量的營養(yǎng)元素對棉花幼苗產生了脅迫，反而抑制了棉花的生長。

3.2 濃縮沼液對棉花生理特性的影響

前人研究表明，濃縮沼液中含有Zn、Mn、Fe、S等多種微量元素，能夠輔助葉綠素合成中的功能酶，葉面噴施濃縮沼液，能夠促及植物合成葉綠素或葉體蛋白，從而提高植物葉綠素的含量[40]。本試驗的結果表明，噴施濃縮沼液后各處理棉花幼苗的Chl b含量顯著增加，噴施489 mL·hm－2濃縮沼液的最高，兩批次分別相比對照高出26.32%和11.36%，而Chl a含量卻變化不大，這與前人實踐研究[41-42]不一致，可能是因為不同濃縮沼液之間含量和成分存在差異，導致其作用機理和結果也不盡相同。

可溶性糖和可溶性蛋白不但是反應作物抗脅迫能力的重要指標，還與作物吸收養(yǎng)分的能力顯著相關[21,43]，馬龍[40]的研究表明，濃縮沼液有著改善作物品質，改良作物生長環(huán)境的功效，施用有機肥后，作物體內的可溶性糖、可溶性蛋白含量都有所增加，本文與此研究結果一致。本試驗中兩批次試驗可溶性糖含量和可溶性蛋白含量均以噴施489 mL·hm－2濃縮沼液的最高，其平均值比對照提高了13.60%。而噴施了815 mL·hm－2濃縮沼液處理，兩批次平均值僅比未噴施濃縮沼液的高3.30%，這表明過量噴施濃縮沼液對棉花可溶性糖和可溶性蛋白的含量提升不大，只有基于適宜用量的濃縮沼液才能有效的改良棉花的生理特性，改善棉花的生長發(fā)育環(huán)境。

4 結論

適宜用量的濃縮沼液能夠促進棉花的生長發(fā)育，顯著提高棉花幼苗的株高、干物質積累、葉面積，噴施了489 mL·hm－2濃縮沼液綜合表現(xiàn)最優(yōu)，兩批次噴施后第6天各生長指標平均值均比對照高21.15%，35.95%，18.84%。噴施濃縮沼液能促進棉花Chl b含量的增加，促進棉花光合色素的合成，提高棉花的光合能力；同時噴施濃縮沼液還能提高棉花幼苗可溶性糖和可溶性蛋白含量，增強棉花抗逆性，其中噴施了489 mL·hm－2濃縮沼液綜合表現(xiàn)最優(yōu)，其Chl b含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量平均比對照分別提高了18.84%，24.03%，3.16%。而過量的濃縮沼液會抑制棉花的生長。

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